超高建筑物外伸觀光艙防雷設(shè)計(jì)

張晶亮 陳榮君

0 引言

一般來(lái)說(shuō)，超高層建筑比普通建筑遭遇雷擊的概率大很多。本文對(duì)上海一570m 超高建筑物的外伸觀光艙設(shè)備基本狀況進(jìn)行分析，并依據(jù)國(guó)家防雷規(guī)范，在簡(jiǎn)單介紹建筑物本身防雷措施的基礎(chǔ)之上，著重對(duì)設(shè)備外伸出建筑外立面時(shí)防直擊雷、側(cè)擊雷、雷感應(yīng)電流、接觸電壓、跨步電壓等各項(xiàng)防雷要求提出相應(yīng)防雷設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，對(duì)部分構(gòu)件的防雷措施樣件雷電壓沖擊試驗(yàn)做簡(jiǎn)單說(shuō)明。通過(guò)各類措施，以期能對(duì)設(shè)備內(nèi)部的觀光游客和設(shè)備做到基本的安全防護(hù)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)，使各類防護(hù)措施達(dá)到防雷要求，避免不必要的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1 所示，該設(shè)備由可以伸出、縮回的移動(dòng)觀光艙和與大樓鋼結(jié)構(gòu)形成整體的支撐軌道組成。觀光艙是一個(gè)活動(dòng)的全金屬框架，總長(zhǎng)度為6m、高2.8m、寬2.4m，所有連接部分均采用全焊縫焊接，并被橫、豎方管分割為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，整個(gè)金屬框架在電氣上視為一個(gè)貫通的整體。當(dāng)其處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)伸出大樓立面，前半部分約3.7m 懸空為建筑外立面突出物，后半部分通過(guò)鎖緊裝置和支撐架固定在一起；當(dāng)停止運(yùn)營(yíng)時(shí)，整個(gè)觀光艙縮回大樓外立面鋼構(gòu)之內(nèi)，受整個(gè)中心大樓防雷系統(tǒng)保護(hù)。

圖1 模型示意圖

1.2 觀光艙系統(tǒng)

整個(gè)觀光艙系統(tǒng)由移動(dòng)觀光艙和支撐軌道組成，其均為鋼結(jié)構(gòu)。其中，觀光艙通過(guò)金屬輪在軌道上行走，而軌道和整個(gè)大樓鋼構(gòu)采用全焊縫焊接形式成為電氣貫通的等電位體。

2 防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）第3 章及附錄A 計(jì)算預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)判定建筑物防雷等級(jí)，雷擊次數(shù)如式（1）所示。

式中k 為矯正系數(shù)，取1；N為建筑物所在地雷擊大地的年平均密度；Td 為年平均雷暴日，上海市為30.1d/a；A為與建筑物接收相同雷擊次數(shù)的等效面積，建筑高度為570m，長(zhǎng)寬均為120m；L 為建筑物長(zhǎng)度；W 為建筑物高度；H 為建筑物高度。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為3.94 次/a，大于規(guī)范第3.03 條第9 款所述0.05 次/a，該建筑劃分為第二類防雷建筑物，應(yīng)按規(guī)定采用相應(yīng)的防雷措施。

雷電的破壞作用有兩種：一種是直接擊在建筑物上產(chǎn)生熱效應(yīng)作用和電動(dòng)力作用；二是雷電流產(chǎn)生的靜電、電磁以及雷電波侵入作用。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮防直擊雷、側(cè)擊雷、防接觸電壓和跨步電壓、防感應(yīng)電流等方面措施。

2.1 主體建筑防雷措施摘要

2.1.1 防直擊雷

整個(gè)超高建筑利用建筑外立面的鋼結(jié)構(gòu)、女兒墻上的鋁板、屋面彩鋼板等電氣貫通的金屬物、塔冠區(qū)域的鋼柱、外層幕墻金屬斜拉索等通過(guò)焊接、螺栓連接、等電位跨接線等方式形成一個(gè)電氣貫通的等電位連接體，以此整體作為接閃器和引下線。主體建筑所有金屬結(jié)構(gòu)均和建筑基礎(chǔ)接地連接在一起，接地裝置按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工并驗(yàn)收。

2.1.2 防側(cè)擊雷

外側(cè)幕墻每層金屬支撐形成封閉環(huán)，組成均壓環(huán)，并與引下線連通，且建筑物內(nèi)各種豎向金屬管道每層與均壓環(huán)相連，以此作為防側(cè)擊雷措施。

2.2 觀光艙直擊雷防雷措施

當(dāng)觀光艙縮回建筑外立面鋼構(gòu)時(shí)，其在整個(gè)防雷保護(hù)范圍之內(nèi)，所以觀光艙的防雷重心為當(dāng)其伸出外立面時(shí)需要采取的各項(xiàng)防雷措施。

2.2.1 接閃器

規(guī)范第5.2.7 條規(guī)定：“除第一類防雷建筑物外，金屬屋面的建筑物宜利用其金屬屋面作為接閃器”。

如圖1 所示，觀光艙框架由120mm×120mm×10mm 的方管全焊縫焊接組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)觀光艙是一個(gè)完整的等電位連接體，且網(wǎng)格尺寸遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的10m×10m,當(dāng)其伸出外立面時(shí)，即為一個(gè)金屬屋面的建筑物，可以直接作為接閃器使用。

2.2.2 引下線

對(duì)金屬屋面建筑防雷工作而言，需要重視的只有整個(gè)接地線路的暢通狀況。觀光艙為一個(gè)完整的等電位連接體，其截面積遠(yuǎn)大于規(guī)范引下線要求，可作為自然引下線的一部分。

觀光艙和移動(dòng)平臺(tái)之間通過(guò)鋼輪連接，具備一定的電氣導(dǎo)通能力，但為確保電氣無(wú)縫連接，在移動(dòng)平臺(tái)和軌道之間設(shè)置兩根1×50mm電纜作為等電位連接線和引下線。

通過(guò)以上措施，整個(gè)觀光艙和大樓建筑成為一個(gè)電氣貫通的整體。

2.3 觀光艙側(cè)擊雷防雷措施

規(guī)范第4.3.9 條第2 款要求建筑物高于60m 時(shí)應(yīng)采取防側(cè)擊措施，對(duì)突出建筑物的物體進(jìn)行側(cè)擊雷防護(hù)，應(yīng)與防雷裝置進(jìn)行連接。

本系統(tǒng)中，觀光艙整體框架為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并已和中心大樓防雷裝置進(jìn)行了連接，形成電氣貫通整體，符合防側(cè)擊雷要求。

2.4 防接觸電壓、跨步電壓

觀光艙作為游客觀光所用，是人員聚集地，而觀光艙整個(gè)框架為鋼結(jié)構(gòu)且作為接閃器和引下線使用，不可避免遭遇雷擊時(shí)成為帶電體，因此必須考慮防接觸電壓和跨步電壓措施。

2.4.1 自然引下線防跨步電壓

結(jié)合結(jié)構(gòu)需要，將觀光艙上頂和下部均設(shè)置為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。同時(shí)，整個(gè)觀光艙長(zhǎng)度為6m，有3 個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)，可以每2m 形成均壓帶。且整個(gè)觀光艙上頂和下部之間有10 根120mm×120mm×10mm 的方管連接，其截面及數(shù)量符合規(guī)范第4.5.6 條第2 款電氣貫通且不少于10 根柱子組成的引下線。

2.4.2 底部絕緣防跨步電壓和接觸電壓

在底部鋼構(gòu)上，鋪設(shè)2 層各10mm 厚絕緣的鋼化玻璃地板，玻璃之間采用4mm 厚的絕緣膠粘合。取50cm×50cm 樣件進(jìn)行高壓（100kV）沖擊試驗(yàn)，未被擊穿，具備防接觸電壓和跨步電壓的作用。

2.4.3 觀光艙內(nèi)部外漏鋼構(gòu)絕緣防接觸電壓

圖2 方管絕緣

2.4.4 外部鋼構(gòu)防接觸電壓

為使當(dāng)觀光艙遭受雷擊后，其外部鋼構(gòu)以及支撐軌道鋼構(gòu)作為等電位連接體通過(guò)雷電流時(shí)不至于因人意外觸碰而造成危險(xiǎn)，凡能夠觸及部分亦應(yīng)做絕緣防護(hù)。若該部分采用內(nèi)部鋼構(gòu)防接觸電壓同樣的處理方式，即外包聚乙烯板材，成本昂貴，經(jīng)濟(jì)效益差。

2.5 加強(qiáng)措施

對(duì)于高度570m 的超高建筑來(lái)講，一方面其周邊雷電活躍度高于地面和較低建筑；另一方面其本身遠(yuǎn)高于周邊建筑，猶如一根矗立的避雷針，任何方向的雷電都會(huì)首先擊中該建筑；而其外伸物難免不在本體建筑防雷保護(hù)范圍之內(nèi)，采用上述措施雖已達(dá)到各類防雷要求，但難以保證長(zhǎng)期遭受雷擊后絕緣強(qiáng)度降低、防雷措施失效帶來(lái)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。為避免上述風(fēng)險(xiǎn)，另設(shè)置一套加強(qiáng)措施，如圖3 所示。

2.5.1 避雷帶

按照規(guī)范第二類防雷建筑物防雷措施第4.3.1 條所述應(yīng)在屋頂周邊敷設(shè)接閃帶，接閃帶應(yīng)設(shè)在外墻外表面或屋檐邊垂直面上，規(guī)范表5.2.1 接閃器采用扁鋼時(shí)截面積不應(yīng)小于50mm。根據(jù)本設(shè)備特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)情況，在觀光艙頂部、外立面一周每間隔700mm 設(shè)置一個(gè)額定電壓10kV、最小公稱爬電距離為600mm、雷電沖擊耐受電壓105 kV 的FZSW-15/5 絕緣子，并在絕緣子頂部采用4mm×40mm 扁鋼設(shè)置閉合的避雷帶，兩個(gè)避雷帶在四角進(jìn)行等電位連接，以此作為避雷帶/接閃器（如圖3 所示）。

圖3 避雷帶

2.5.2 引下線

設(shè)置兩根1×50mm電纜將避雷帶和觀光艙與移動(dòng)平臺(tái)之間的兩根1×50mm電纜進(jìn)行等電位連接，作為引下線。

通過(guò)上述兩種技術(shù)上的加強(qiáng)措施，在有雷擊時(shí)，首先以避雷帶作為第一層防雷擊保護(hù)措施及雷電流通路，使觀光艙在一定程度上不直接遭受該風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.3 運(yùn)營(yíng)管理措施

觀光平臺(tái)作為乘人觀光設(shè)施，從安全防護(hù)角度講，除從技術(shù)角度設(shè)計(jì)相應(yīng)的防護(hù)措施外，宜應(yīng)在運(yùn)營(yíng)管理方面采取相應(yīng)的人控措施減低其處于惡劣天氣范圍之內(nèi)，其正常運(yùn)營(yíng)需滿足如下條件：

（1）運(yùn)營(yíng)時(shí)風(fēng)速不大于8 級(jí)風(fēng)（對(duì)應(yīng)風(fēng)速：17.2m/s～20.7m/s）；

（2）應(yīng)及時(shí)接收天氣情況，運(yùn)營(yíng)時(shí)不可為雨、雪、雷電、冰雹等災(zāi)害性天氣，環(huán)境溫度為-10℃～35℃，相對(duì)濕度不大于85%；

（3）若在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中收到雷電預(yù)警，工作人員應(yīng)按“日常維護(hù)操作規(guī)程”安排乘客有序撤離觀光平臺(tái)，翻起后平臺(tái)翻板，旋松制動(dòng)機(jī)構(gòu)，將觀光平臺(tái)縮回大廈幕墻內(nèi)。

2.6 電氣系統(tǒng)防感應(yīng)電流、雷電波、浪涌保護(hù)

觀光艙本身運(yùn)行、內(nèi)部設(shè)置，避免不了需要電子、電氣設(shè)備，感應(yīng)電流、雷電波產(chǎn)生的電磁效應(yīng)等很容易造成其損壞或運(yùn)行不穩(wěn)定。建筑物內(nèi)部防雷包括防雷電感應(yīng)及防雷電波入侵。通常采用公用接地裝置、等電位聯(lián)結(jié)、電涌保護(hù)器等裝置，減小和防止雷電流在系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)如下防感應(yīng)電流、雷電波、浪涌保護(hù)措施：（1）將所有電氣設(shè)施進(jìn)行接地，和觀光艙鋼構(gòu)做等電位連接；（2）配電系統(tǒng)由建筑內(nèi)部二級(jí)配電柜引出，采用TN-S 系統(tǒng)；（3）將動(dòng)力柜設(shè)置和觀光艙分離，動(dòng)力柜進(jìn)線設(shè)置電壓保護(hù)水平小于或等于2.5kV、沖擊電流等于或大于12.5kA 的I 級(jí)保護(hù)浪涌保護(hù)器；（4）僅從動(dòng)力柜引1 路AC220V 電源至觀光艙作為其獨(dú)立電源，該電源在引出動(dòng)力柜及引入觀光艙位置均重復(fù)接地，同時(shí)在引入觀光艙配電箱位置設(shè)置II 級(jí)浪涌保護(hù)器。

2.7 接地電阻

從觀光艙各個(gè)面各隨機(jī)取3～4 個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其接地電阻均小于1Ω，符合防雷接地要求。

3 結(jié)論

超高層建筑物，特別是外伸觀光設(shè)施，其安全性是一定要保證的，其中防雷擊安全是其中一大重要因素。針對(duì)各項(xiàng)防雷要求，采用避雷帶和鋼構(gòu)本身雙重防雷措施，通過(guò)建筑模型和樣件進(jìn)行100kV 雷電沖擊耐壓試驗(yàn)對(duì)相應(yīng)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保設(shè)計(jì)能夠滿足實(shí)際需求。根據(jù)本文所述各項(xiàng)防雷措施施工完畢，同時(shí)在運(yùn)營(yíng)上根據(jù)實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)情況，當(dāng)有雷擊天氣預(yù)報(bào)時(shí)，將設(shè)備縮回處于建筑物保護(hù)范圍之內(nèi)，減少直接遭受雷擊概率。設(shè)備投入運(yùn)營(yíng)后，未發(fā)生因雷擊造成的設(shè)備損壞和人員安全事故。